O temné hmotě a sférických bastardech

S články o temné hmotě se v posledních letech roztrhl pytel, přitom o ní víme již od třicátých let. Dnešní fascinace tématem je způsobena tím, že už s jistotou víme, že jsme v koncích.

V běžném životě značí sousloví 'být v koncích' něco negativního. Ve vědě to znamená, že jsme prošli všechny klasické možnosti, jak vysvětlit zkoumaný jev a žádná nedala uspokojivou odpověď. Pak je čas přijít s novou teorií, s novým fenoménem a podrobit ho zkoušce. Větříme objev.

Před více než sto lety se Max Planck pokoušel rozluštit podstatu vyzařování absolutně černého tělesa. Poctivě vyzkoušel vše myslitelné a na konec mu nezbylo, než sáhnout po, tenkrát velice podezřelém, předpokladu, že se energie šíří v kvantech. Zrodila se kvantová teorie. Tak to dopadá, když je věda v koncích.

O nějakých třicet let později zkoumal astronom Fritz Zwicky kupu galaxií v souhvězdí Vlasy Bereniky. Zjistil, že jednotlivé galaxie by neměly držet pohromadě, měly by se už dávno rozpadnout.

Měsíční tvář

Galaxie jsou obrovská seskupení hvězd obíhajících kolem společného těžiště. Jenomže rychlosti hvězd ve zkoumaných soustavách byly tak velké, že by je gravitační síla galaxie nemohla udržet. Buď by ze systému uletěly, nebo by přinejmenším změnily vzhled galaxie.

Vysvětlení je jediné. Rychlost jsme změřili přesně, gravitační síla musí být větší. Je to možné. Gravitace se spočítá z celkové hmotnosti a tu jsme pouze odhadovali ze svítivosti. Nápad to není špatný, svítivost koresponduje s počtem hvězd, které tvoří většinu hmotnosti. Pokud je tu ještě další hmota, která nesvítí, je hmotnost galaxie větší, tím pádem je větší i její gravitační soudružnost, které odpovídá vysoká rychlost hvězd.

Protože taková hmota není vidět, říkejme jí skrytá nebo temná hmota. Dlouho se po ní pátralo. Muselo by jí být hodně, Zwickymu vycházel poměr mezi svítící a temnou hmotou 1:400. Jsou to vyhaslé hvězdy, temné mlhoviny, mezihvězdný prach...? Je samozřejmé, že takové pátrání příliš nezaujme ani mnohé odborníky, natož bulvár. Po několika desetiletích práce, marného hledání a honu na neutrina se věda opět ocitla v koncích. Kdyby v galaxii bylo tolik hmoty, kolik vychází z výpočtů, musela by se projevit i jinak. Žádný z vedlejších projevů však nikdo nepozoroval.

Je možné, že máme špatnou teorii gravitace. Možná se na větších měřítcích gravitace projevuje jinak. První pokusy na tomto poli vypadaly slibně. V roce 1983 navrhl Mordehai Milgrom modifikovanou newtonskou dynamiku, čímž usmířil neposedné rotační křivky galaxií s vesmírnými zákony.

Hvězdáři však také nezaháleli. Pomocí efektu gravitační čočky zmapovali rozložení gravitační síly ve vesmíru a došli k závěru, že takové komplikované struktury můžeme těžko vysvětlit pouze na úrovni gravitačního zákona. Mnohem snáze se dají naměřená data vysvětlit hmotou rozloženou po vesmíru v jakési fraktální struktuře. Struktura by se dala připodobnit ke struktuře vaty. Dlouhá vlákna a stěny, na jejichž průsečících se nacházejí galaxie.

A jsme tam, kde jsme byli. Tato vlákna nikdo nikdy neviděl, jejich přítomnost se dá pouze vypočítat z jejich gravitačních účinků. Žádné jiné efekty se nedostavují. Nezbývá, než sáhnout po poslední zoufalé možnosti. Temná hmota musí být neviditelná. Neviditelná ne proto, že je ve tmě. Temná hmota nesmí být vidět, ani když na ni posvítíme. Musí mít i další exotické vlastnosti. Musí být nenahmatatelná, jinak by svým odporem zpomalovala pohyb hvězd v galaxiích, nebo by svítící hmotu jinak ovlivňovala.

Nenahmatatelná hmota? On to není tak nesplnitelný požadavek. Každodenní zkušenost s hmatem nám přijde tak samozřejmá, že bereme uchopitelnost předmětu jako základní vlastnost vesmíru. Ve skutečnosti to souvisí jen s jediným fenoménem - s elektromagnetickou interakcí. Jednodušeji řečeno s citlivostí hmoty na elektrický náboj.

Elektromagnetická interakce sehrává v každodenním životě větší roli, než bychom na první pohled připustili. To je tím, že většina hmoty kolem nás je elektricky neutrální, tak to vypadá, že ani žádný náboj nemá. Na mikroskopické úrovni však elektrické náboje udržují atomy v patřičných rozestupech a starají se o to, aby hmota tvořila struktury. Částice, které náboj opravdu nemají a nejsou na elektrické síly citlivé, takovou hmotou bez nesnází pronikají a navzájem se s ní neovlivňují. Například sluneční neutrina, kterých projde každým čtverečním centimetrem za sekundu asi 60 miliard, jsou pro nás velice obtížně zjistitelná a dlouho trvalo, než je naše detektory vůbec zaregistrovaly.

Neutrina byla proto dlouho vážnými kandidáty na temnou hmotu. Když se však podařilo jejich hmotnost změřit s dostatečnou přesností, ocitla se mimo podezření.

Při pátrání po temné hmotě doufáme, že kromě gravitace podléhá alespoň nějaké další vesmírné síle. Spoléháme především na slabou interakci (jako u neutrin) a jí podléhající částice WIMP (Weak Interacting Massive Particles). V podezření jsou tzv. superpartneři ke klasickým částicím - tzv fotino, neutralino... nebo axiony. Pak jsou na seznamu hledaných ještě částice interagující naopak silně, tzv. SIMP (Strong Interacting Massive Particles), které by mohly do problému vnést světlo.

Mnozí se také ještě nevzdali myšlenky, že za chybějící hmotou stojí prvotní černé díry z období velkého třesku.

Vybrat si dnes některou z těchto variant je pouze otázkou osobního vkusu. Na všech frontách se provádějí pokusy, všude jsme neúspěšní, takže je možné, že vše je ještě jinak.

Poslední objev z nedávné minulosti zamíchal karty všem těmto teoriím bez rozdílu. Při kontrole rotačních křivek galaxií vzdálených cca 10 miliard světelných roků vyšlo najevo, že tyto galaxie nemají s temnou hmotou problém. Chovají se tak, jako by tam žádná nebyla.

Objev je ještě příliš nový a nebyl ověřen. Pokud se však potvrdí, bude třeba si uvědomit, že velká vzdálenost je ve vesmíru synonymem slov velké stáří. V tomto případě se díváme na vesmír starý necelé čtyři miliardy let. Znamená to, že tenkrát tu temná hmota nebyla?